SiC衬底高质量GaN生长及射频器件热管理

GaN on SiC材料生长是射频器件的核心技术，其在5G通信、物联网、军事领域等有着广泛的应用。SiC衬底与GaN的晶格失配与热失配较Si衬底与GaN的失配均较小，可以获得高质量的GaN材料，因其具有较高的击穿场强及热导率，在射频芯片广泛应用。在热管理方面，如在SiC衬底与GaN材料界面间的热阻问题，会造成HEMT沟道的温度升高，抑制器件的峰值功率密度，影响器件的性能。

(资料图片)

本文给出2种技术路线，旨在解决SiC衬底上生长高质量GaN材料以及界面的热阻问题 。这2种技术路线比较有代表性，供大家参考。

技术路线1：

生长条件：先H2处理，10分钟，1080C；氮化处理，1分钟，1130C，然后长AlN缓冲层，1130C，50 torr，最后再上面生长1.8um的GaN层。其中的AlN缓冲层采用NH3中断或者NH3/Al交替通入，可以获得表面表面平滑的AlN缓冲层，在表面平滑的AlN缓冲层基础上生长GaN可以获得较高质量的GaN外延层，002和102分别为167和240。

2组样品AlN缓冲层长法， A组传统长法，B组NH3间歇长法；

AFM数据显示， A组存在明显孔洞，这些坑状缺陷阻碍传热，影响射频器件性能。

而B组样品表面则比较平滑，如B3/B4/B6样品：

分别在A/B组的AlN缓冲层上生长GaN,其反射率曲线以及TEM图片如下：

A组样品因有较多小孔，会先合并，所以反射率曲线是上升的。在平滑的表面上生长GaN，会先岛状生长，看到的反射率曲线正好也是往下走的。

从TEM看，样品B具有较少的位错，可以获得较高的生长质量。

TMA/NH3的替代供应应用于样品B6的NL生长，此过程中Al原子与氨的间隔供给相比，扩散长度较差的Al原子的数量明显减少，这抑制了局部不连续的聚结，降低了缺陷密度。

技术路线2：

生长条件：H2高温退火，10分钟，1100C；pre Al, 14s,40sccm;然后在这个基础上，A组样品生长90nm的AlN缓冲层，然后再生长2um的GaN.B组样品则是再上面直接生长2um的GaN,V/III:2800。

从AFM，XRD以及拉曼数据看，B样品的102明显变小，说明B样品的刃位错（或刃位错和螺位错复合位错）变小，获得了2um厚的GaN，其002和102半宽均为180。

AFM：小框里的A样品存在step pinning。拉曼B样品较A样品有少许蓝移，张应力较之偏小。

从TEM数据看，以及通过晶格参数计算，生长的薄层大概为2-3nm，材料为AlGaN且Al组分为24%。

该方法通过Al预处理，形成准二维成核，再采用高V/III以及低生长压力增强横向生长。超薄缓冲层与基平面断层结合，可以降低位错。基平面断层可以作为一种掩膜，在氮化镓外延过程中防止位错向上穿伸。

基于以上，热特性TBR也得到了明显降低。

除此以外，SiC衬底上的GaN外延，还有的采用如有孔洞的图形化衬底，或者引入SiN缓冲层、AlN/GaN缓冲层，或者改变衬底的斜切角如4度斜切角。但不管采用哪种方案，其目的都是为了能够获得高质量的GaN外延，以及SiC衬底与GaN之间的热阻变小。END

（声明：文字内容仅用于行业技术交流，旨在促进技术进步。）

PEFERENCES：

1.Feng, Y., et al. (2021). \"High quality GaN-on-SiC with low thermal boundary resistance by employing an ultrathin AlGaN buffer layer.\" Applied Physics Letters 118 (5).

2.Li, C., et al. (2020). \"Growth of thin AlN nucleation layer and its impact on GaN-on-SiC heteroepitaxy.\" Journal of Alloys and Compounds 838 .

3.Sun, Z., et al. (2015). \"The interface analysis of GaN grown on 0° off 6H-SiC with an ultra-thin buffer layer.\" Japanese Journal of Applied Physics 55 (1). 等